Całą złożoność i różnorodność życia – w tym także pojawienie się człowieka – zawdzięczamy mechanizmom ewolucji, dzięki którym żywe organizmy stają się coraz bardziej złożone, wyrafinowane i przystosowują się do zmiennych warunków środowiska. Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla wykorzystali te mechanizmy dla dobra ludzkości.
"Kierowana ewolucja" pozwoliła stworzyć enzymy wykorzystywane w produkcji biopaliw czy leków. Z kolei przeciwciała uzyskane dzięki metodzie fagowej ekspresji peptydów ("phage display") znalazły zastosowanie w leczeniu chorób autoimmunologicznych oraz zaawansowanych nowotworów.
Życie pojawiło się na Ziemi około 3,7 miliarda lat temu. Przez ten czas żywe organizmy opanowały niemal każde możliwe środowisko, od gorących źródeł i pustyń po dno morza, szczyty gór i lody Antarktydy. Pojawiły się wszędobylskie bakterie, odporne na wszystko niesporczaki, świecące meduzy, latające owady, ptaki i nietoperze, a wreszcie zdolni do wszystkiego ludzie. By to było możliwe, ewolucja musiała rozwiązać niezliczone problemy, produkując białka o odpowiednich właściwościach – supermocny klej mocujący małże do skał, przezroczystą jak szkło krystalinę w soczewce oka, elastyczną elastynę naszych ścięgien i naczyń krwionośnych czy "niezamarzające" białko we krwi arktycznych ryb. Narzędziami ewolucji były zmiany genetyczne i selekcja. Pojawiały się zmiany w genach – często na gorsze, ale czasem korzystne. Te korzystne miały większe szanse przetrwania.
Podobną drogą poszli tegoroczni nobliści.
W roku 1993 Amerykanka Frances H.Arnold (z wykształcenia inżynier przemysłu kosmicznego) po raz pierwszy dokonała kierowanej ewolucji enzymów – białek, które katalizują (przyspieszają) reakcje chemiczne. Podczas gdy klasyczne metody chemiczne wykorzystywane w produkcji leków czy tworzyw sztucznych często wymagają zastosowania toksycznych chemikaliów (m.in. metali ciężkich), wysokich ciśnień i temperatur - enzymy pozwalają przeprowadzać reakcje w sposób bardziej skuteczny i przyjazny dla środowiska.
Początkowo naukowcy próbowali świadomie nadawać enzymom nowe właściwości. Jednak uniemożliwiła to ich niezwykle złożona budowa.
Nawet przy całej współczesnej wiedzy i ogromnej mocy dzisiejszych superkomputerów bardzo trudno zaplanować nadanie enzymowi nowych właściwości. W latach 90. było to praktycznie niemożliwe. Dlatego Frances Arnold wykorzystała sprawdzoną w ciągu miliardów lat drogę ewolucji.
Pierwszym enzymem, jaki próbowała zmodyfikować, była subtylizyna, bakteryjny enzym używany (oprócz badań naukowych) w kosmetycznych preparatach zmiękczających skórę, środkach piorących, płynach do zmywania, przemyśle spożywczym czy płynach do czyszczenia soczewek kontaktowych.
Subtylizyna działa w środowisku wodnym. Badaczka chciała, by enzymu można było używać także w rozpuszczalniku organicznym – dimetyloformamidzie (DMF). Aby to osiągnąć, doprowadziła do licznych mutacji w genie kodującym enzym. Zmutowane geny wprowadzono do bakterii, uzyskując tysiące odmian enzymu. Wystarczyło "tylko" wyselekcjonować warianty najlepiej działające w środowisku rozpuszczalnika organicznego.
Wybrany wariant poddany został dalszym mutacjom, dzięki czemu pojawił się enzym jeszcze skuteczniejszy. Trzecia "generacja" działała w środowisku DMF 256 razy lepiej, niż oryginalny enzym i różniła się od niego w sumie 10 mutacjami. Przewidzenie korzystnych skutków aż tak złożonych zmian byłoby niemożliwe.
Z czasem stworzone przez amerykańską badaczkę metody zostały udoskonalone. Dziś rutynowo stosuje się je do tworzenia nowych enzymów. Można na przykład z cukrów prostych uzyskiwać izobutanol, nadający się na paliwo dla samochodów i samolotów.
Kolejny ważny krok zrobił Willem P.C. Stemmer, zmarły w roku 2013 holenderski badacz i przedsiębiorca. Zastosował rekombinację – metodę pozwalającą naśladować w probówce rozmnażanie płciowe, które prowadzi do powstawania nowych kombinacji genów, eliminuje geny nieprzydatne i promuje te o korzystnych właściwościach. W roku 1994 "pociął" geny na małe fragmenty, po czym za pomocą narzędzi typowych dla technologii DNA ułożył z nich nowe wersje genów będące mozaiką pierwowzorów. Zmodyfikowany tą metodą enzym okazał się znacznie skuteczniejszy w działaniu od oryginału.
W roku 1985 Amerykanin George P. Smith opracował metodę zwaną "phage display". Polega ona na wykorzystaniu bakteriofaga – wirusa zakażającego bakterie – do wytwarzania nowych białek.
Bakteriofag ma prostą budowę – w zasadzie jest to fragment DNA opakowany w białko. Aby się rozmnożyć, wstrzykuje bakterii własny materiał genetyczny, przejmując nad nią kontrolę. Opanowana przez bakteriofaga bakteria wytwarza jego kopie – zarówno DNA, jak i białka. George P. Smith postanowił wykorzystać bakteriofagi do znajdowania nieznanego genu odpowiedzialnego za wytwarzanie znanego białka.
Fragmenty niezidentyfikowanych genów łączono z genami kodującymi białko tworzące białkową otoczkę wirusa. W rezultacie bakterie wytwarzały zarówno białko wirusowe, jak i białko odpowiadające badanemu genowi, a bakteriofag miał to białko na swojej powierzchni. Z mieszaniny fagów prezentujących różne białka można było "wyłowić" poszczególne z nich za pomocą specyficznych przeciwciał. Dzięki temu można było połączyć konkretne białko z konkretnym genem.
Jego prace bardzo praktycznie wykorzystał Brytyjczyk Sir Gregory P. Winter – uzyskał ludzkie przeciwciała mające zastosowanie jako leki. Pierwszy był adalimumab – neutralizujący związane z zapaleniami białko TNF–alfa. Jako lek na reumatoidalne zapalenie stawów, łuszczycę oraz choroby zapalne jelit został zatwierdzony do użytku w roku 2002. Później pojawiły się przeciwciała neutralizujące toksyny, przeciwdziałające chorobom autoimmunologicznym, a nawet leczące zaawansowane nowotwory z przerzutami.
Naukowcy uważają, że korzystając z kierowanej ewolucji można będzie osiągnąć znacznie więcej – na przykład uzyskać leki na chorobę Alzheimera.
Frances H. Arnold otrzyma połowę kwoty 9 mln koron szwedzkich (ok. 871 tys. euro). Drugą połową podzielą się George P. Smith i Sir Gregory P.Winter.
Frances Hamilton Arnold urodziła się w 1956 r. w Pittsburghu (USA). Studiowała inżynierię mechaniczną i lotniczą na Princeton University, zaś w 1985 r. obroniła doktorat z inżynierii chemicznej na University of California, Berkeley. Od 1986 r. związana jest z California Institute of Technology (Caltech), gdzie prowadzi laboratorium zajmujące się ukierunkowaną ewolucją białek. Prywatnie uwielbia spacery i podróże. Głośno mówi o niebezpieczeństwach związanych ze spadkiem zaufania do nauki. – – mówiła w kwietniu 2018 r. Arnold uczestniczyła również w 2017 r. w Marszu dla Nauki, zorganizowanym w Waszyngtonie.
George P. Smith urodził się w 1941 r. w Norwalk (USA). W 1970 r. otrzymał doktorat na Uniwersytecie Harvarda (USA). Przez większość kariery związany był jednak z University of Missouri, gdzie przez 40 lat pracował w Division of Biological Sciences. W rozmowie z agencją Associated Press Smith podkreślił, że jego praca oparta jest na podstawach stworzonych przez innych ludzi. – – mówił noblista.
Sir Gregory "Greg" P. Winter przyszedł na świat w 1951 r. w mieście Leicester (W. Brytania). Cała jego kariera naukowa związana jest z Uniwersytetem w Cambridge, w którym obronił doktorat. W 2004 za zasługi w zakresie biologii molekularnej otrzymał od angielskiej królowej tytuł szlachecki. Aktualnie Winter pracuje w działającym przy Uniwersytecie w Cambridge MRC Laboratory of Molecular Biology. Otrzymana przed niego w tym roku nagroda jest już 12. Nagrodą Nobla, która trafiła do pracownika tego laboratorium. Winter podkreśla wagę finansowania badań podstawowych z pieniędzy publicznych. – – mówił w 2013 r.
